±800kV 特高壓直流輸電換流閥核相試驗(yàn)

郭緋陽(yáng) 張 濤 吳 鑫 李國(guó)楷 楊云龍

（1. 河南九域恩湃電力技術(shù)有限公司，鄭州 450052；2. 河南合眾電力技術(shù)有限公司，鄭州 450001）

0 引言

隨著特高壓直流輸電（ultra-high voltage direct current, UHVDC）工程項(xiàng)目規(guī)模逐漸增大，直流輸電的安全性及可靠性變得至關(guān)重要。特高壓直流輸電工程在跨區(qū)域、高功率輸電方面有著廣泛的應(yīng)用[1]?！?00kV 特高壓直流輸電工程進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試之前，必須完成換流閥核相試驗(yàn)，該環(huán)節(jié)不僅可檢驗(yàn)特高壓直流工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是否安裝正確，也可保證系統(tǒng)調(diào)試的順利進(jìn)行[2-4]。

特高壓直流輸電換流閥核相試驗(yàn)是對(duì)換流閥是否能夠正確按照觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)通的實(shí)際驗(yàn)證，同時(shí)也是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工程項(xiàng)目一次接線、換流變壓器一次接線的檢測(cè)驗(yàn)證，從而保證工程調(diào)試前各環(huán)節(jié)處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。整個(gè)試驗(yàn)主要針對(duì)交流電壓相序和換流閥電壓相序是否一致、控制信號(hào)與觸發(fā)脈沖是否一致、觸發(fā)脈沖角度與晶閘管導(dǎo)通角度是否一致進(jìn)行分析驗(yàn)證。整個(gè)核相試驗(yàn)可有效檢驗(yàn)特高壓直流輸電工程系統(tǒng)相關(guān)環(huán)節(jié)的配合邏輯是否正確，因此，換流閥核相試驗(yàn)對(duì)直流工程系統(tǒng)調(diào)試的順利進(jìn)行具有一定的實(shí)際意義[5-9]。

本文針對(duì)±800kV 特高壓輸電換流閥核相試驗(yàn)進(jìn)行研究，詳細(xì)介紹換流閥核相試驗(yàn)的原理與主回路接線，并對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和設(shè)備選型分析，總結(jié)換流閥核相試驗(yàn)的試驗(yàn)步驟。最后，針對(duì)試驗(yàn)波形進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，驗(yàn)證換流閥觸發(fā)控制電壓的正確性和觸發(fā)脈沖對(duì)應(yīng)閥組觸發(fā)順序的正確性，為特高壓輸電換流閥核相試驗(yàn)提供一種新思路和新方法[10-14]。

1 試驗(yàn)主回路接線

特高壓直流輸電換流閥核相試驗(yàn)是在換流變壓器交流側(cè)模擬施加較低的交流試驗(yàn)電壓，通過(guò)十二脈動(dòng)整流橋?qū)⒔涣麟妷鹤優(yōu)橹绷麟妷?，?duì)試驗(yàn)過(guò)程中換流變壓器交流側(cè)的同步電壓、換流閥直流側(cè)電壓及晶閘管兩端電壓進(jìn)行核相分析[15]。

特高壓直流輸電工程受電端的換流閥正常工作在逆變狀態(tài)，本文所涉工程額定直流輸送能力為8 000MW，換流站采用雙極四閥組，每個(gè)閥組為一個(gè)12 脈沖雙橋換流器。換流閥為許繼柔性輸電系統(tǒng)公司生產(chǎn)，一個(gè)單閥由59 個(gè)晶閘管級(jí)構(gòu)成，控制保護(hù)系統(tǒng)由南瑞集團(tuán)公司制造。換流閥系統(tǒng)接線結(jié)構(gòu)如圖1 所示[16]。

圖1 換流閥系統(tǒng)接線結(jié)構(gòu)

特高壓直流輸電換流閥中的晶閘管通常采用串并聯(lián)方式組合使用，試驗(yàn)用臨時(shí)短接線將其組成12脈動(dòng)整流橋，將直流側(cè)正、負(fù)極電壓和單閥陽(yáng)極電壓接入測(cè)量裝置。試驗(yàn)采用的直流電流Id在能使晶閘管連續(xù)導(dǎo)通的前提下盡可能低，但能維持晶閘管正常觸發(fā)導(dǎo)通并允許觸發(fā)延遲角在一定的范圍內(nèi)變動(dòng)，換流閥臨時(shí)短接圖如圖2 所示。

試驗(yàn)電源接線：換流閥核相試驗(yàn)的低壓加壓設(shè)備由三相調(diào)壓器和升壓變壓器組成，經(jīng)過(guò)調(diào)壓變壓器調(diào)節(jié)升壓變壓器的輸出電壓。變壓器采用Yy 聯(lián)結(jié)可降低變壓器高低壓側(cè)的相角誤差，避免Yd 聯(lián)結(jié)方式產(chǎn)生的30°相位差，同時(shí)，試驗(yàn)變壓器的輸入與輸出實(shí)際相位差可忽略不計(jì)，核相試驗(yàn)系統(tǒng)接線圖如圖3 所示。

圖2 換流閥臨時(shí)短接圖

圖3 核相試驗(yàn)系統(tǒng)接線圖

試驗(yàn)變壓器與換流閥觸發(fā)控制系統(tǒng)之間需連接三相調(diào)壓器，該調(diào)壓器的輸出電壓需調(diào)節(jié)到電壓互感器（PT）二次電壓值（約為100V 線電壓）。進(jìn)行換流閥核相試驗(yàn)時(shí)，務(wù)必檢查試驗(yàn)變壓器的電壓相序與同步電壓是否一致，且試驗(yàn)前需保證換流變壓器交流電壓與觸發(fā)控制電壓之間的相位差一致。

2 試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算分析

2.1 試驗(yàn)電源容量計(jì)算

試驗(yàn)先后對(duì)每一閥組進(jìn)行核相試驗(yàn)，極I 與極II 參數(shù)基本一致，因此，本文以極I 為例。在閥塔交流側(cè)加試驗(yàn)電壓，對(duì)換流器每片選用500V，試驗(yàn)電流選用2A，換流變壓器分接頭取最低電壓。

500kV 換流變壓器高壓側(cè)電壓計(jì)算如下。

Y -Y 分支有

Y-△分支為

即500kV 換流變壓器高壓側(cè)電壓為2 553.2V。

直流側(cè)輸出電壓（最大值）：

式（3）和式（4）中：UdY為Y -Y 側(cè)輸出直流電壓；Ud△為Y-△側(cè)輸出直流電壓。

式（5）和式（6）中：Rd為直流側(cè)負(fù)載電阻；Ud為直流總電壓。

電阻消耗功率為

式中：Idtest為直流側(cè)試驗(yàn)電流（2A）；Pd為試驗(yàn)電阻消耗的功率。

電源容量為

式中，P1為極I 試驗(yàn)電源容量。依據(jù)負(fù)載側(cè)功率選擇6kV·A 容量的調(diào)壓器，但考慮該容量的調(diào)壓器負(fù)載側(cè)電流較大不足以支撐，因此還需計(jì)算直流側(cè)最大輸出電流。

換流變壓器低壓側(cè)電流為

式（9）和式（10）中：I1Y為Y -Y 側(cè)換流變壓器低壓側(cè)電流；I△1為Y-△側(cè)換流變壓器低壓側(cè)電流。

換流變壓器高壓側(cè)電流為

式（11）和式（12）中：IY2為Y -Y 側(cè)換流變壓器高壓側(cè)電流；I△2為Y-△側(cè)換流變壓器高壓側(cè)電流。

試驗(yàn)變壓器高壓側(cè)電流為

試驗(yàn)變壓器低壓側(cè)電流為

其中，試驗(yàn)變壓器低壓側(cè)電流為25.6A，考慮電源容量的最大輸出電流，最終選擇三相調(diào)壓器額定容量為50kV·A，輸入電壓為380V，輸出最大電流為67A。

2.2 試驗(yàn)負(fù)載電阻的計(jì)算

根據(jù)換流閥及換流變壓器的參數(shù)，計(jì)算試驗(yàn)所需電源容量和直流負(fù)載電阻值?，F(xiàn)場(chǎng)Yy11 換流變壓器，額定容量為415MV·A，額定電壓比為530/(+24, -6)×1.25%/166.3/kV；Yy11 換流變壓器，額定容量為415MV·A，額定電壓比為530/(+24, -6)×1.25%/166.3/kV。

選用電阻性負(fù)載時(shí)計(jì)算如下：

式中：Ud為換流器直流側(cè)電壓；U2為換流變壓器閥側(cè)相電壓；α為控制觸發(fā)延遲角。

在控制觸發(fā)延遲角為60°時(shí)，直流側(cè)電壓為

則觸發(fā)延遲角為60°時(shí)負(fù)載電阻為

由于晶閘管最小導(dǎo)通電流為2A，此時(shí)電阻功率為P=I2Rd，實(shí)際工程中選用規(guī)格為500Ω/2kW 的電阻。

當(dāng)控制觸發(fā)延遲角大于60°時(shí)，直流側(cè)電壓為

在控制觸發(fā)延遲角為90°時(shí)，直流側(cè)電壓為

則觸發(fā)延遲角為90°時(shí)的負(fù)載電阻為

由于晶閘管最小導(dǎo)通電流為2A，此時(shí)電阻功率為P=I2Rd，選用規(guī)格為125Ω/0.5kW 的電阻。經(jīng)計(jì)算，核相試驗(yàn)換流閥不同控制觸發(fā)延遲角下，試驗(yàn)電阻及功率選型規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)電阻及功率選型

2.3 試驗(yàn)儀器設(shè)備選型

1）三相調(diào)壓器、試驗(yàn)變壓器選擇

依據(jù)式（14）得到試驗(yàn)變壓器低壓側(cè)電流為25.6A，因此選擇三相調(diào)壓器額定容量為50kV·A，輸出電壓在0～430V，最大輸出電流為67A；三相調(diào)壓器1 輸出電壓應(yīng)為102V；試驗(yàn)變壓器選擇額定容量為200kV·A，額定電壓比10kV/380V。

2）試驗(yàn)電纜

交流場(chǎng)選擇三種試驗(yàn)電纜：①電壓等級(jí)為450V，截面積為10mm2；②電壓等級(jí)為450V，截面積為2.5mm2；③電壓等級(jí)為6kV，截面積為2.5mm2。

試驗(yàn)過(guò)程中所用設(shè)備儀器見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)備選型

3 試驗(yàn)步驟

特高壓直流輸電工程核相試驗(yàn)需在現(xiàn)場(chǎng)儀器和設(shè)備安裝完畢后進(jìn)行，換流閥安裝及接線工作完成，所有晶閘管均檢查測(cè)試完成，換流變壓器安裝及檢查試驗(yàn)已經(jīng)完成，控制保護(hù)系統(tǒng)分系統(tǒng)調(diào)試已經(jīng)完成，控制保護(hù)廠家完成試驗(yàn)程序和保護(hù)出口臨時(shí)設(shè)置，換流站輔助電源系統(tǒng)調(diào)試完成，換流閥應(yīng)已具備充電條件。

1）按試驗(yàn)方案連接試驗(yàn)回路構(gòu)成12 脈動(dòng)整流橋，將電阻負(fù)載接入直流側(cè)，完成接線檢查。

2）施加試驗(yàn)電壓至換流變壓器。

3）檢查試驗(yàn)電源和PT 端子箱的電壓相序及相位差是否正確，并做記錄。

4）未觸發(fā)脈沖時(shí)，檢查交流母線電壓相序與閥電壓相序是否一致。

5）檢查送入控制裝置的同步信號(hào)是否正確；若無(wú)異常，按控制觸發(fā)延遲角從 90°開(kāi)始試驗(yàn)，選擇控制觸發(fā)延遲角依次為90°、75°、60°，45°、30°、15°，觸發(fā)延遲角每改變15°記錄換流閥交、直流電壓波形。

6）檢查直流電阻電壓波形是否為十二脈動(dòng)波形，分析晶閘管導(dǎo)通時(shí)間和觸發(fā)延遲角，若換流閥不能維持穩(wěn)定通流，可適當(dāng)升高試驗(yàn)電壓直到通流穩(wěn)定。

7）試驗(yàn)完成，斷開(kāi)試驗(yàn)電源，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)接線。

4 試驗(yàn)波形

為了驗(yàn)證本文所提±800kV 特高壓直流輸電換流閥核相試驗(yàn)理論分析的正確性，進(jìn)行±800kV 特高壓換流站極Ⅱ低壓端試驗(yàn)。

圖4～圖9 所示為極Ⅱ端低壓加壓核相試驗(yàn)波形，其中CH1顯示的是abc 三相同步電壓與單閥兩端電壓波形，在自然換相點(diǎn)由于施加觸發(fā)脈沖晶閘管導(dǎo)通，其電壓波形瞬間跌落時(shí)刻為該閥導(dǎo)通，控制觸發(fā)延遲角按照在工頻50Hz 下自然換相點(diǎn)距離晶閘管導(dǎo)通觸發(fā)時(shí)間計(jì)算。觸發(fā)延遲角為15°的時(shí)候自然換相點(diǎn)距離晶閘管觸發(fā)時(shí)間為0.83ms，如圖9 所示；觸發(fā)延遲角為60°的時(shí)候自然換相點(diǎn)距離晶閘管觸發(fā)時(shí)間為3.3ms，如圖6 所示。CH2為ua、uc電壓波形正半周相交且ua大于uc處為自然換相點(diǎn)。CH3為試驗(yàn)交流電壓整流輸出的直流電壓波形，一個(gè)工頻周期內(nèi)有12 個(gè)脈動(dòng)數(shù)，顯示波頭均勻、完整。

圖4 觸發(fā)延遲角為90°時(shí)試驗(yàn)波形

圖5 觸發(fā)延遲角為75°時(shí)試驗(yàn)波形

圖6 觸發(fā)延遲角為60°時(shí)試驗(yàn)波形

圖7 觸發(fā)延遲角為45°時(shí)試驗(yàn)波形

圖8 觸發(fā)延遲角為30°時(shí)試驗(yàn)波形

圖9 觸發(fā)延遲角為15°時(shí)試驗(yàn)波形

對(duì)比圖4～圖9 試驗(yàn)波形得到，十二脈動(dòng)直流電壓幅值隨觸發(fā)延遲角α的降低而逐漸增大，驗(yàn)證換流閥觸發(fā)延遲角的調(diào)節(jié)方向正確。

5 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1）在核相試驗(yàn)準(zhǔn)備工作期間，本文依據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)整定計(jì)算，確定晶閘管導(dǎo)通電壓為500V、最小導(dǎo)通電流為2A，得到直流側(cè)輸出電壓最大值為2 258.6V。按照理論分析計(jì)算系統(tǒng)參數(shù)，合理選擇試驗(yàn)設(shè)備，三相調(diào)壓器額定容量選擇50kV·A，輸出電壓在0～430V，最大輸出電流為67A。

2）在滿足晶閘管導(dǎo)通條件下，所加電流應(yīng)接近導(dǎo)通臨界，且每個(gè)觸發(fā)延遲角對(duì)應(yīng)的直流電阻應(yīng)留有裕度。特高壓直流輸電核相試驗(yàn)在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，受到線路阻抗、直流負(fù)載、環(huán)境等復(fù)雜因素影響，測(cè)得直流電壓實(shí)際值相較于理論計(jì)算值偏小。

3）采用優(yōu)化核相試驗(yàn)方法，依據(jù)整流器電壓自然換相點(diǎn)至晶閘管導(dǎo)通時(shí)間，對(duì)比單閥電壓與同步電壓，可以較為準(zhǔn)確地判斷觸發(fā)控制角，具有較好的魯棒性。若發(fā)生換相失敗或某相橋臂故障時(shí)，本文所提方法可有效判斷單閥故障位置，一定程度上提高了試驗(yàn)可靠性。